Návrh a výroba modelu formy pro jednoduchý výlisek z plastu

Tags: 3D CAD | CAM | Formy

V současné době jsou v odvětví automobilového, leteckého a spotřebního průmyslu využívány CAx přístupy návrhu a výroby součástek. Tyto přístupy mění ještě nedávno vžitou realitu výroby na základě výkresové dokumentace. Dnes se v mnoha nástrojárnách nevyrábí na základě výkresové dokumentace, ale na základě dat z 3D modelu produktu. Někdy je to trojrozměrný CAD model ve formátu z některých zavedených softwarů, ale někdy to je jen „master model“ výrobku, jehož souřadnice se dají získat nasnímáním jednotlivých bodů povrchu 3D skenerem, resp. technickým tomografem. Nasnímaná data jsou importována do CAD systému, kde se na jejich základě vytvářejí 3D modely.

Obr. 1 3D model požadovaného tvaru

Tento článek pojednává o jednoduché případové studii výroby formy pro jednoduchý plastový kryt. Výchozím bodem bude skořepinový 3D model krytu dodaný v elektronické podobě v některém z výměnných formátů CAD geometrie (stp, stl). Kvůli lepší představivosti uvedeme přece jen i několik rozměrů modelu. Jedná se o kryt o rozměrech 100x60x25 mm, přičemž tloušťka stěny krytu bude 1,5 mm. Zaoblení v rozích jsou o poloměru R = 10 mm a spojení boční stěny se dnem je radiální plochou s poloměrem r = 10 mm. Po načtení dodaného formátu modelu do CAD systému s ním můžeme hned dále pracovat. Vzhledem k tomu, že se jedná o skořepinu, bude třeba z daného modelu vybrat potřebné povrchy pro dutinu formy i pro vložku formy.

Vytvoření dutiny formy

Po odečtení požadovaného tvaru (vnější povrch skořepinového modelu) od polotovaru – kvádru za pomoci booleovské operace dostaneme dutinu formy. V rozích daného kvádru ještě vytvoříme díry pro středicí kolíky vložky formy. Tyto operace proběhnou v prostředích Generative Shape Design a Part Design.
 

 Obr. 2 Dutina formy

Vytvoření vložky formy

Při vytvoření vložky formy využijeme vnitřní povrchy skořepiny a tento objem sjednotíme s tělesem podstavy vložky formy. V rozích této podstavy namodelujeme vodicí kolíky formy. Dále vytvoříme žlábek po obvodu půdorysu tvaru, který vytvoří odvzdušňovací kanálky formy. Uprostřed horní plochy vložky vyvrtáme průchozí díru, která bude tvořit vtokovou soustavu, kterou se bude forma plnit tekutým plastem. Kvůli lepšímu plnění bude přívod dvoustupňový (dva různé průměry díry vtoku).

Obr. 3 Výsledná podoba vložky formy

Asociativita změn modelu skořepiny a navazujících modelů
Při ponechání linek modelu skořepiny s modelem dutiny a vložky formy se nám všechny změny na modelu skořepiny projeví i na dutině a vložce formy. Na obrázku je ukázka, kdy jsme změnili dva proti sobě ležící rádiusy zaoblení bočních stěn modelu.
 

Obr. 4 Asociativita změn modelu skořepiny a navazujících modelů

Vytvoření sestavy formy a řezů formy

Na následujících obrázcích máme možnost vidět složenou formu s viditelností „nitra formy“ i řezy formy dvěma řeznými rovinami procházejícími středem formy.

Obr. 5 Sestava formy
 

Obr. 6 Definování příjmení formy rovinou YZ

Normálový pohled na průřez formy rovinou YZ

Obr. 7 Normálový pohled na průřez formou rovinou YZ

Obr. 8 Definování řezu formy rovinou ZX

Obr. 9 Normálový pohled na průřez formou rovinou ZX

Obrábění dutiny a vložky formy

V následujícím bude definováno obrobení dutiny formy a vložky formy v CAM modulu Surface Machining systému CATIA V5. Model bude frézován do tvrzeného polyuretanu (tzv. syntetické dřevo).

Definování obrábění dutiny formy

Dutina formy bude obrobena třemi operacemi. První bude obrobení na hrubo čelní stopkovou frézou průměru D = 10 mm. Druhou operací bude obrábění na čisto kopírovací frézou průměru D = 10 mm.

Obr. 10 Definování pomocí selektivního okna
 

Obr. 11 Vizualizace ohrubovaného polotovaru dutiny formy

Po provedení těchto dvou operací bude následovat třetí operace – vrtání čtyř děr pro středicí kolíky.
 
Obr. 12 Obrobení na čisto a vrtání děr dutiny formy

Definování obrábění vložky formy

Vložka formy bude obrobena čtyřmi operacemi. První bude obrobení na hrubo čelní stopkovou frézou průměru D = 10 mm. Druhou operací bude obrábění na čisto kopírovací frézou průměru D = 10 mm.

Obr. 13 Vizualizace ohrubovaného polotovaru vložky formy
 

Obr. 14 Výsledný tvar tělesa vložky formy

Po provedení těchto dvou operací bude následovat vytvoření odvzdušňovacího kanálku čelní stopkovou frézou průměru D = 5 mm a vyfrézování druhého stupně vtokové soustavy. Jako poslední operace se provede vrtání díry prvního stupně vtoku.

Obr. 15 Kompletně obrobená vložka formy

NC realizace výroby formy

CNC data byla generována v CAM modulu CATIA data ve formátu APT (Automatically Programmed Tool). Následně byla konvertována do jazyka řídicího systému frézky Emco Mill 155 (RS Heidenhain). Polotovary tvaru kvádrů pro dutinu i vložky formy byly upnuty v čelisti strojního svěráku upnutého k posuvnému stolu frézky.

Řezné podmínky byly určeny na základě dostupných zdrojů, které doporučují pro tento materiál řeznou rychlost 50–100 m/min.
Pro průměr nástroje D = 10 mm a pro zvolenou řeznou rychlost na spodní hranici byly vypočteny otáčky. Otáčky byly zaokrouhleny směrem dolů na hodnotu 1500 ot/min. Na základě vypočtených otáček a doporučeného posunu na zub fz = 0,05 mm byla vypočtena rychlost posuvu stolu
 
 

Obr. 16 Nástrojové osazení a obrábění vložky formy na čisto

Při daných řezných podmínkách trvala výroba obou částí formy celkem dvě a půl hodiny.
Na tomto relativně jednoduchém příkladu byl demonstrován postup návrhu a výroby nástroje (formy) pro vstřikování jednoduché součástky z plastu. Celý proces zpracování byl podporován CAD/CAM systémem CATIA V5 a jím generovanými daty byla řízena CNC frézka EMCO MILL 155. Jednou větou: Na tomto příkladu byly demonstrovány CAx přístupy navrhování a výroby součástek.
 

Obr. 17 Model formy obrobený do syntetického dřeva